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并联机构特性分析与综合研究

张帆  
【摘要】: 并联机构的静刚度大、动力响应迅速等优点,使其在金属切削机床、工业自动化、医疗设备等领域具有广泛的应用前景;然而,并联机构在运动学、动力学等方面上的复杂特性使它在实际应用遇到许多困难。因此,改善并联机构的运动学、动力学等性能,使设计的并联机构能够很好满足工程实际的需要,成为并联机构应用研究中亟待解决的问题之一。 本文对并联机构瞬时运动、奇异位形、运动解耦、全局各向同性等问题进行了研究,主要研究内容包括: (1)在回顾并联机构研究现状基础上,对现有并联机构特性分析及综合研究进行了总结,分析并联机构研究中取得的成果和存在的不足,论述了本文研究并联机构瞬时运动、奇异位形等问题的意义和具体内容。 (2)针对并联机构的多支链闭环的结构特点,提出一种基于螺旋理论的空间机构学的分析方法,将并联机构分为运动支链与动平台两个组成部分,根据运动支链末端对动平台的作用力,分析并联机构瞬时运动、奇异位形等问题。 (3)利用约束螺旋与运动螺旋的几何规律,提出了并联机构瞬时运动分析的几何方法(IMGA),并得到主动避免瞬时运动的并联机构设计准则,建立了通过拓扑优化手段综合避免瞬时运动并联机构的方法。基于以上方法,综合得到一些结构新颖的、避免瞬时运动的两转动一移动并联机构。 (4)利用螺旋线性相关的几何特征,提出主动避免并联机构奇异位形并联机构设计准则,建立了通过拓扑优化手段综合避免奇异位形并联机构的方法。基于以上方法,综合得到结构新颖的、避免奇异的三转动3-RRR并联机构和两转动一移动2RPS-PS并联机构。 (5)利用运动支链末端作用力理论,推导出解耦并联机构的设计准则,建立了通过拓扑优化手段综合解耦并联机构的方法。基于以上方法,综合得到了解耦的一转动两移动并联机构,三移动并联机构。其中解耦的一转动两移动并联机构是新颖机构。 (6)鉴于一般并联机构静刚度存在上下限,证明了全局各向同性并联机构工作空间内静刚度全局相同,进一步得到全局各向同性并联机构的设计准则,建立了通过拓扑优化手段综合全局各向同性并联机构的方法。基于以上方法,综合得到了全局各向同性的两移动并联机构和三转动并联机构。


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